固定条形镜面太阳能线聚光组合海水淡化装置及淡化方法

摘要

本发明公开了固定条形镜面太阳能线聚光组合海水淡化装置及淡化方法，该装置利用固定条形反射镜面聚光集热，产生中高温液体或蒸汽，采用气液组合缸中活塞直接驱动增压后进入反渗透海水淡化装置，排出蒸汽再次蒸馏法海水淡化，冷凝水循环给太阳能聚光集热器，形成半闭合循环。该装置由于反射器是固定不动，跟踪吸收器，使跟踪系统得到了简化，能耗降低，提高了系统的利用效率，再则采用直接膨胀做功得到高压驱动反渗透海水淡化，排出蒸汽再次利用，能级梯次及耦合利用，提高了能量的可用能效率。对不同浓度的苦咸水和海水系统能自动调整其需压力和蒸汽温度，对于在沿海和沙漠地带风力较大地区对苦咸水和海水淡化有很大优势。

说明书

技术领域

本发明属于能源技术领域，特别涉及一种固定条形镜面太阳能线聚光组合海水淡化装置及淡化方法。

背景技术

随着社会的发展，工业、农产业及民用生活对中温需求的越来越大。当前世界能源结构形势越来越严峻，面临空前挑战，气候变化日趋明显，环境污染越发严重，节能减排刻不容缓，急需发展新能源和更多的淡水资源。

太阳能海水淡化技术领域的基础研究集中在：

①完全靠太阳能和环境条件自然变化驱动的被动式淡化水方法，如传统的太阳能蒸馏池，多效太阳能蒸馏器等；

②主动式淡化水方法，制备淡水需要少量的动力消耗，同时还要求配备风机、水泵等额外装置，强化传热传质效果，提高系统性能；

③实现能源梯级利用，上述技术与其它相关技术综合应用的复合系统等，如和太阳能温室相结合，与压气蒸馏以及闪蒸法等工艺相结合等。

主动式海水淡化方法由于改善了淡化装置的传热传质效果，蒸发温度和冷凝温度可以分开调控，倍受重视。海水淡化过程中的能量、水分、盐分回收，传热传质过程强化，部件中的结垢特性，能源利用效率和产水率的提高等是研究的重点，太阳能转换利用环节主要是中低温位的太阳能集热器，与蒸馏、闪蒸、压汽蒸馏等工艺以及各种传热传质过程相关的设备结合。

我国在太阳能海水淡化领域总体上缺乏系统性和规模效应，主要技术和工艺方面研究不够深入，特别是在一些代表性装置的性能指标方面与国际水平有较大差距。基于太阳能热能转换实现海水淡化过程仍是研究重点，能量回收、盐分回收和水分回收等许多环节有待进一步优化，制造工艺等亟需进一步提高。

发明内容

本发明的目的是为了解决太阳能在提供中高温进行海水（苦咸水）淡化方面的应用，降低系统制作成本，提高能源的利用效率和系统的经济性，提出一种固定条形镜面太阳能线聚光组合海水淡化装置及淡化方法，采用固定条形反射镜面聚光集热，产生中高温液体或蒸汽，采用气液组合缸中活塞直接驱动增压后进入反渗透海水淡化装置，排出蒸汽再次利蒸馏法海水淡化，冷凝水循环给太阳能聚光集热器，形成半闭合循环装置。本装置具有反射镜面固定，吸收器跟踪太阳的聚光集热系统加热蒸汽，直接驱动海水进行反渗透海水淡化，其潜热再次利用进行蒸馏海水淡化的优点；而且该装置制作简单，成本低廉。特别是在风力较大的沿海地区，如海上产业平台建设中的太阳能聚光中高温海水淡化集成利用，固定条形镜面反射装置比其它聚光装置、气驱液增压缸直接产生压力驱动反渗透海水淡化，潜热再次利用的太阳能海水淡化装置比其他装置更具优势。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种固定条形镜面太阳能线聚光(ED+RO)组合海水淡化装置，包括固定式条形镜面反射聚光装置、至少两个蒸汽驱动海水增压装置、蒸汽凝气装置、抽吸蒸馏海水淡化装置、反渗透海水淡化装置；所述固定式条形镜面反射聚光装置通过管道连接至少两个蒸汽驱动海水增压装置、蒸汽凝气装置和抽吸蒸馏海水淡化装置；所述蒸汽驱动海水增压装置连接反渗透海水淡化装置；所述蒸汽凝气装置通过管道与固定式条形镜面反射聚光装置的吸收器连接。

所述固定式条形镜面反射聚光装置包括若干个条形镜面反射镜、吸收器、支架、内套式伸缩杆、轴承、转动平衡物和圆弧形调整板；所述若干个条形镜面反射镜并列放置，条形镜面反射镜的两端都固定到两个圆弧形调整板上，所述每个圆弧形调整板的圆弧外部的上端通过内套式伸缩杆连接到底座的轴承上，所述每个圆弧形调整板的圆弧外部的下端固定在底座的支架上，所述每个圆弧形调整板的圆弧内部通过三根支架固定于圆弧内一点，每个圆弧内一点作为支点，每个支点上都设有一根平衡杆，每个平衡杆的一端上都设有沿杆滑动的转动平衡物，所述每个圆弧形调整板的圆弧两个端点之间通过一个支架连接，所述吸收器的两端固定在两根杆的端点上。

所述蒸汽驱动海水增压装置包括依次连接的气压缸、冷却室和液压缸，所述气压缸内设有气驱活塞，所述液压缸内设有液压活塞，所述气驱活塞和液压活塞之间通过活塞杆连接，所述活塞杆穿过冷却室，所述气压缸一端设有单向进气阀和单向排气阀，所述液压缸的一端设有进水阀，所述冷却室通过管道与进水阀连接，所述气压缸还设有通气口。

所述蒸汽凝气装置包括蒸发室和凝气室，所述蒸发室和凝气室之间通过热管换热器连接，凝气室下方通过管道与单向阀连接；所述蒸发室上方设有喷嘴，喷嘴上方与引射器连接。

所述抽吸蒸馏海水淡化装置包括相互连接的冷凝室和凝气室，冷凝室上方与引射器连接，

所述固定式条形镜面反射聚光装置与两个蒸汽驱动海水增压装置的连接管道上设有调压阀和气压表；所述调压阀和气压表用于调节进口蒸汽压；

所述蒸汽凝气装置与固定式条形镜面反射聚光装置的吸收器的连接管道上设有依次连接的单向阀、淡水箱和循环水泵。

所述蒸汽驱动海水增压装置与反渗透海水淡化装置的连接管道上设有液压表。

所有的控制阀都采用电池阀并接入控制电路。

所述热管换热器的数量根据换热量确定。

所述凝气室下面装有排水阀。

所述气驱活塞和液压活塞中间都设有保温层。

上述固定条形镜面太阳能线聚光组合海水淡化装置所采用的淡化方法，具体工作步骤为：

步骤一：启动前先把淡水箱和管道充满纯净水并排出气体，两个液压缸里充满海水；

步骤二：固定式条形镜面反射聚光装置的条形平面反射镜将太阳能线反射到玻璃金属真空管吸收器上，吸收器跟踪太阳线聚光；纯净水经过太阳能线聚光的吸收器后，被加热成110-150℃饱和湿蒸汽，达到1.43-4.76bar左右的蒸汽压力；

步骤三：打开一个蒸汽驱动海水增压装置的单向进气阀，关闭该蒸汽驱动海水增压装置的单向排气阀和进水阀，蒸汽进入该蒸汽驱动海水增压装置的气压缸，膨胀做功，通过活塞杆推动液压活塞，液压缸增压比为36:1；当蒸汽达到一定压力时，蒸汽推动气驱活塞，经过中间活塞杆推动液压活塞从而压缩海水，经过增压后的海水进入反渗透海水淡化装置产生淡水和浓盐水；当蒸汽驱动海水增压装置的液压活塞移动到缸体右端时，关闭蒸汽驱动海水增压装置的单向进气阀，打开蒸汽驱动海水增压装置的单向排气阀和进水阀，蒸汽排入凝气室经过热管换热器凝结成水，形成负压使海水很容易进行再次充满液压缸；液压缸被充满的同时另一个蒸汽驱动海水增压装置开始工作，另一个蒸汽驱动海水增压装置的工作方法与上述蒸汽驱动海水增压装置的工作方法一致；如此交替循环。

步骤四：排出的蒸汽经过凝气室和蒸发室之间的热管换热器，冷凝成水，通过管道的单向阀排给淡水箱，淡水箱的水通过循环水泵进入吸收器再次被聚光加热成蒸汽；同时蒸发室经过热管换热器的换热、喷嘴的喷淋及引射器抽吸使海水得到快速蒸发，二次蒸汽进入冷凝室冷凝成淡水排出；冷却室通过对活塞杆和气压缸内气驱活塞右边的热空气冷却得到预热海水。

所述热管换热器对排出的蒸汽在凝气室冷凝产生负压，海水自动补回液压缸缸体、在蒸发室海水吸热蒸发成二次蒸汽。

所述引射器对蒸发室气体引射产生真空度，加快蒸发；引射器引射形成饱和低压蒸汽，进入冷却室经过海水冷凝，产生淡水排出，海水预热进入蒸发室。

本发明对比已有技术具有以下创新点：

1、太阳能聚光使采用固定式条形镜面反射聚光，跟踪吸收器，性价比好，性能稳定；

2、直接加热蒸汽膨胀驱动活塞海水增压到反渗透海水淡化装置所需反渗透压力，缓慢推动，然后达到动态平衡，转换效率较高；

3、膨胀到缸体右端时，蒸汽排出冷凝产生负压，使海水无需泵就可重新充满液体增压缸；

4、采用喷射器抽吸产生真空度加快蒸发室海水蒸发，提高了蒸发率及产水率，整个系统没有动力装置，都是采用蒸汽驱动。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1、采用固定式条形镜面反射镜线聚光，倾斜角度可以一年调整两次，春分按角度（纬度角-11.75）和秋分按角度（纬度角+11.75）当天调整，分为夏季和冬季使用，提高了聚光比和光学性能，得到更多的太阳辐照量，并且采用集热器固定不动跟踪吸收器，跟踪系统得到简化和减少能耗；

2、采用太阳能聚光加热成蒸汽直接驱动液体增压，进入反渗透海水淡化装置产生淡水，过程是水加热升温，饱和水吸热汽化膨胀增压驱动，是绝热膨胀做功过程。没有能量的几次转换，能耗较低，比蒸汽发电和采用郎肯循环做功，再带动高压泵驱动反渗透海水淡化效率要高；

3、本装置只需要简单的气驱气缸、液体增压缸、喷射器及换热装置就可给反渗透提供运行稳定的压力，给蒸馏海水淡化提供热量和产生真空度。系统没有其他动力装置，成本较低、运行稳定、安全经济；

4、通过参考和分析对比其他各种海水淡化需要的单位产水量及能耗，本研究装置具有很好的产水量和所需非常低的能耗，无需改变就能适用于不同盐分溶度海水和苦咸水，尤其对苦咸水有更高的产水量。在偏远地区（沙漠和海岛）是一种很好的海水淡化选择，具有良好的经济效益与环境效益。

附图说明

图1为太阳能聚光组合式海水淡化系统结构图；

图2为本发明的固定式条形镜面反射聚光装置示意图；

图3为本发明的蒸汽驱动海水增压装置示意图；

其中：1、条形平面反射镜，2、吸收器，3、第一气驱活塞，4、第一液压活塞，5、蒸发室，6、凝气室，7、热管换热器，8、反渗透海水淡化装置，9、第一单向进气阀，10、第一单向排气阀，11、第二单向进气阀，12、第二单向排气阀，13、第一进水阀，14、第二进水阀，15、第一活塞杆，16、冷凝室，17、引射器，18、喷嘴，19、调压阀，20、气压表，21、液压表，22、循环水泵，23、淡水箱，24、单向阀，25、第一通气口，26、第一气压缸，27、第一液压缸，28、第二活塞杆，29、冷却室，30、第二通气口，31、第二气驱活塞，32、第二液压活塞，33、支架，34、内套式伸缩杆，35、轴承，36、转动平衡物，37、圆弧形调整板、38、第二气压缸，39、第二液压缸。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基本思想是融合固定反射镜面太阳能聚光集热驱动热法与膜法相结合的海水淡化。

如图1所示，一种固定条形镜面太阳能线聚光(MED+RO)组合海水淡化装置，包括固定式条形镜面反射聚光装置、至少两个蒸汽驱动海水增压装置、蒸汽凝气装置、抽吸蒸馏海水淡化装置、反渗透海水淡化装置；所述固定式条形镜面反射聚光装置通过管道连接至少两个蒸汽驱动海水增压装置、蒸汽凝气装置和抽吸蒸馏海水淡化装置；所述蒸汽驱动海水增压装置连接反渗透海水淡化装置；所述蒸汽凝气装置通过管道与固定式条形镜面反射聚光装置的吸收器2连接。

所述固定式条形镜面反射聚光装置包括若干个条形平面反射镜1、吸收器2、支架33、内套式伸缩杆34、轴承35、转动平衡物36和圆弧形调整板37；所述若干个条形平面反射镜1并列放置，条形平面反射镜1的两端都固定到两个圆弧形调整板37上，所述每个圆弧形调整板37的圆弧外部的上端通过内套式伸缩杆34连接到底座的轴承35上，所述每个圆弧形调整板37的圆弧外部的下端固定在底座的支架33上，所述每个圆弧形调整板37的圆弧内部通过三根支架33固定于圆弧内一点，每个圆弧内一点作为支点，每个支点上都设有一根平衡杆，每个平衡杆的一端上都设有沿杆滑动的转动平衡物36，所述每个圆弧形调整板37的圆弧两个端点之间通过一个支架33连接，所述吸收器2的两端固定在两根杆的端点上。

所述蒸汽驱动海水增压装置包括依次连接的气压缸、冷却室29和液压缸，所述气压缸内设有气驱活塞，所述液压缸内设有液压活塞，所述气驱活塞和液压活塞之间通过活塞杆连接，所述活塞杆穿过冷却室29，所述气压缸一端设有单向进气阀和单向排气阀，所述液压缸的一端设有进水阀，所述冷却室29通过管道与进水阀连接，所述气压缸还设有通气口。

所述蒸汽凝气装置包括蒸发室5和凝气室6，所述蒸发室5和凝气室6之间通过热管换热器7连接，凝气室6下方通过管道与单向阀24连接；所述蒸发室5上方设有喷嘴18，喷嘴18上方与引射器17连接。

所述抽吸蒸馏海水淡化装置包括相互连接的冷凝室16和凝气室6，冷凝室16上方与引射器17连接，

所述固定式条形镜面反射聚光装置与至少两个蒸汽驱动海水增压装置的连接管道上设有调压阀19和气压表20；所述调压阀19和气压表20用于调节进口蒸汽压；

所述蒸汽凝气装置与固定式条形镜面反射聚光装置的吸收器2的连接管道上设有依次连接的单向阀24、淡水箱23和循环水泵22。

所述蒸汽驱动海水增压装置与反渗透海水淡化装置的连接管道上设有液压表21。

所有的控制阀都采用电池阀并接入控制电路。

所述热管换热器7的数量根据换热量确定。

所述凝气室6下面装有排水阀。

所述气驱活塞和液压活塞中间都设有保温层。

上述固定条形镜面太阳能线聚光组合海水淡化装置所采用的淡化方法，具体工作步骤为：

步骤一：启动前先把淡水箱23和管道充满纯净水并排出气体，两个液压缸里充满海水；

步骤二：固定式条形镜面反射聚光装置的条形平面反射镜1将太阳能线反射到玻璃金属真空管吸收器2上，吸收器2跟踪太阳线聚光；纯净水经过太阳能线聚光的吸收器2后，被加热成110-150℃饱和湿蒸汽，达到1.43-4.76bar左右的蒸汽压力；

步骤三：打开第一蒸汽驱动海水增压装置的第一单向进气阀9，关闭第一蒸汽驱动海水增压装置的第一单向排气阀10和第一进水阀13，蒸汽进入第一蒸汽驱动海水增压装置的第一气压缸26，膨胀做功，通过第一活塞杆15推动第一液压活塞4，液压缸增压比为36:1；当蒸汽达到一定压力时，蒸汽推动第一气驱活塞3，经过第一活塞杆15推动第一液压活塞4从而压缩海水，经过增压后的海水进入反渗透海水淡化装置8产生淡水和浓盐水；当蒸汽驱动海水增压装置的第一液压活塞4移动到缸体右端时，关闭蒸汽驱动海水增压装置的第一单向进气阀9，打开蒸汽驱动海水增压装置的第一单向排气阀10和第一进水阀13，蒸汽排入凝气室6经过热管换热器7凝结成水，形成负压使海水很容易进行再次充满液压缸；液压缸被充满的同时第二蒸汽驱动海水增压装置开始工作，打开第二蒸汽驱动海水增压装置的第二单向进气阀11，关闭第二蒸汽驱动海水增压装置的第二单向排气阀12和第二进水阀14，蒸汽进入第二蒸汽驱动海水增压装置的第二气压缸38，膨胀做功，通过第二活塞杆28推动第二液压活塞32，液压缸增压比为36:1；当蒸汽达到一定压力时，蒸汽推动第二气驱活塞31，经过第二活塞杆28推动第二液压活塞32从而压缩海水，经过增压后的海水进入反渗透海水淡化装置8产生淡水和浓盐水；当蒸汽驱动海水增压装置的第二液压活塞32移动到缸体右端时，关闭蒸汽驱动海水增压装置的第二单向进气阀11，打开蒸汽驱动海水增压装置的第二单向排气阀12和第二进水阀14，蒸汽排入凝气室6经过热管换热器7凝结成水，形成负压使海水很容易进行再次充满液压缸；第二蒸汽驱动海水增压装置的工作方法与第一蒸汽驱动海水增压装置的工作方法一致；如此交替循环。

步骤四：排出的蒸汽经过凝气室6和蒸发室5之间的热管换热器7，冷凝成水，通过管道的单向阀24排给淡水箱23，淡水箱23的水通过循环水泵22进入吸收器2再次被聚光加热成蒸汽；同时蒸发室5经过热管换热器7的换热、喷嘴18的喷淋及引射器17抽吸使海水得到快速蒸发，二次蒸汽进入冷凝室16冷凝成淡水排出；冷却室29通过对活塞杆和气压缸内气驱活塞右边的热空气冷却得到预热海水。

所述热管换热器7对排出的蒸汽在凝气室6冷凝产生负压，海水自动补回液压缸缸体、在蒸发室5海水吸热蒸发成二次蒸汽。

所述引射器17对蒸发室5气体引射产生真空度，加快蒸发；引射器17引射形成饱和低压蒸汽，进入冷却室29经过海水冷凝，产生淡水排出，海水预热进入蒸发室5。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。